FPGA芯片EPXA10在圖像處理中的應用

3.1 圖像的驅動
3.1.1 CMOS圖像傳感器的驅動
　　要使CMOS圖像傳感器成像，必須設計正確的驅動時序，包括行同步、列同步、場同步及曝光時間設定等時序。利用FPGA邏輯編程簡單的特點，用硬件描述語言Verilog HDL編程，可在FPGA中實現(xiàn)CMOS圖像傳感器的驅動時序，該驅動時序的仿真結果如圖3所示。圖中，ld_y為行選通信號；ld_x為列選通信號；cal為場選通信號；clk_adc為內(nèi)部A/D轉換器所需的時鐘；addr為行列地址線；sys_reset為曝光時間設定信號；s和r為內(nèi)部放大器選通信號。

3.1.2 圖像的采集
　　CMOS圖像傳感器輸出的信號為數(shù)字信號(即數(shù)字圖像數(shù)據(jù))，所以圖像的采集要通過FPGA中的數(shù)據(jù)接收模塊將圖像數(shù)據(jù)保存到片外SDRAM中。數(shù)據(jù)接收模塊狀態(tài)機如圖4所示。標志Flag為1，開始采集數(shù)據(jù)。因為CMOS圖像傳感器在每個A/D轉換時鐘周期輸出一個數(shù)據(jù)(如圖3所示)，接收模塊也相應地設計成一個時鐘接收周期接收一個數(shù)據(jù)(Burst狀態(tài))，這樣也就發(fā)揮了FPGA對大量數(shù)據(jù)處理速度快的優(yōu)勢。

3.1.3 圖像的顯示
　　ARM將SDRAM中的圖像數(shù)據(jù)經(jīng)串口傳給計算機，在計算機中用VC++語言編寫串口協(xié)議和圖像顯示程序，將CMOS圖像傳感器采集到的圖像顯示在屏幕上，以便于監(jiān)測驗證。
3.2 圖像的處理
　　本系統(tǒng)采用的圖像處理算法基于Sobel邊緣檢測算子。圖像的邊緣是由灰度不連續(xù)性所反映的，是圖像的最基本信息。邊緣檢測算子檢查每個像素的鄰域并對灰度變化率進行量化，也包括方向的確定，大多數(shù)使用基于方向導數(shù)掩模求卷積的方法。就sobel算子而言，如圖5所示，采用了兩個3×3卷積核形成邊緣算子模板，緊鄰中心像素的像素有4個，和中心像素成斜對角的像素也有4個，距離中心像素近的模板值的系數(shù)為2，成斜對角的比較遠，所以其系數(shù)為1，該系數(shù)反映了這樣一點：鄰域對當前像素的灰度梯度的影響程度越近影響越大，越遠影響越小。圖像中的每個點都用這兩個核做卷積，一個核對垂直邊緣響應最大，而另一個核對水平邊緣響應最大，兩個卷積的最大值作為該點的輸出位，反映了當前位置灰度梯度(圖像邊緣)的主要方向和大小。運算結果反映了一幅邊緣幅度圖像。